福州盆地多源地面沉降監(jiān)測(cè)體系的建立

莊立賢

（福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建 福州 350011）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和擴(kuò)張，尤其是地鐵、房地產(chǎn)開發(fā)等民生工程的日益增多，因工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》（國務(wù)院令第394號(hào)）、《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的決定》（國發(fā)〔2011〕20號(hào)）等文件要求，加強(qiáng)城市地面沉降監(jiān)測(cè)工作，最大限度地消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)安定穩(wěn)定，福州盆地地面沉降監(jiān)測(cè)體系的進(jìn)一步完善已成為一項(xiàng)極為重要和緊迫的工作。

1 福州盆地地面沉降研究現(xiàn)狀

據(jù)觀測(cè)資料，1967—1986年，福州盆地溫泉區(qū)內(nèi)地面累計(jì)沉降量為56～414mm，而1987—1988年，地面高程下降了13～74mm。對(duì)福州地?zé)崽锉辈坎煌瑫r(shí)期監(jiān)測(cè)、調(diào)查資料進(jìn)行分析，可以得到漏斗中心地帶不同時(shí)期地面沉降速率經(jīng)歷了以下階段：20世紀(jì)60年代為20mm/年；70年代為25～33mm/年；20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代初期為40mm/年。1991年6月—1992年6月的觀測(cè)顯示，五四路北區(qū)沉降量達(dá)到74.5mm。

在近6年的時(shí)間采用高精度雷達(dá)對(duì)福州市區(qū)地面沉降狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示福州市地面沉降總體情況較好，大部分地區(qū)地面穩(wěn)定性較好，但存在明顯的區(qū)域性沉降差異特點(diǎn)，有多個(gè)沉降漏斗存在，并有加劇的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)分析表明，在6年的監(jiān)測(cè)期間，年均沉降率約為-15mm，最大沉降率均出現(xiàn)在倉山區(qū)域。最大沉降點(diǎn)位于倉山區(qū)建新南路的紅江小區(qū)，年均沉降率達(dá)到-55.43mm；次大沉降量點(diǎn)位于倉山區(qū)南三環(huán)飛鳳水岸小區(qū)，年均沉降率達(dá)到-55.36mm。通過福州盆地InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析表明，不同區(qū)域的地面沉降受地下水抽取、河流水系以及各類工程及人類活動(dòng)擾動(dòng)綜合影響，尤其是在溫泉分布區(qū)，沉降速率與時(shí)間呈顯著的非線性特征。

2 存在問題

2.1 監(jiān)測(cè)手段單一

為了解福州城區(qū)地面沉降規(guī)律，從20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)90年代的監(jiān)測(cè)資料顯示，福州市區(qū)主要采用水準(zhǔn)測(cè)量與實(shí)地查證的方式進(jìn)行，研究范圍主要位于福州盆地地?zé)崽锓植紖^(qū)。

2008年7月—2014年6月，采用DS-InSAR技術(shù)（永久散射體合成孔經(jīng)雷達(dá)干涉測(cè)量）對(duì)福州地面沉降狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，缺乏地面實(shí)測(cè)形變數(shù)據(jù)，PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)到的沉降量級(jí)只與實(shí)地考察形變量進(jìn)行了比對(duì)，而沒有與其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2.2 先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用推廣不足

上海在世界上率先建立了健全的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用28座綜合監(jiān)測(cè)站和1 150個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)覆蓋全市范圍，同時(shí)引進(jìn)GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、建立計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男畔⒒芾怼８Ｖ菖璧氐孛娉两当O(jiān)測(cè)技術(shù)手段較為原始且缺乏連續(xù)性，全區(qū)未構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)體系，不易即時(shí)捕獲福州盆地地面沉降發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

隨著福州市城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，福州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線的開通運(yùn)營及規(guī)劃的幾條地鐵線路陸續(xù)開工建設(shè)，建設(shè)工程對(duì)福州盆地地表形變的影響缺乏足夠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 福州盆地多源地面沉降監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建

3.1 總體技術(shù)路線

采用GNSS、INSAR、地質(zhì)調(diào)查、物探勘查、鉆探、精密水準(zhǔn)、土體分層沉降標(biāo)組、傳感器、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集、地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)、5G等技術(shù)，形成空間三維、多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的、多功能綜合性監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從而構(gòu)建天-地協(xié)同的多源地面沉降監(jiān)測(cè)體系。及時(shí)查明福州盆地地面沉降范圍、規(guī)模、成因及其發(fā)展趨勢(shì)；加強(qiáng)地面沉降災(zāi)害的防治技術(shù)研究，提高監(jiān)測(cè)區(qū)域大型工程建設(shè)地面沉降預(yù)測(cè)與防治的能力?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 福州盆地地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

3.2 技術(shù)方法

3.2.1 資料收集

收集福州盆地基礎(chǔ)地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)勘查資料、市政規(guī)劃現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景規(guī)劃資料，監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍及周邊平面與高程控制點(diǎn)、福州盆地地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等基礎(chǔ)信息資料。

3.2.2 GNSS+InSAR

采用InSAR調(diào)查地面沉降災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀，繪制測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖、地面沉降等值線圖，為監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)以及土體沉降標(biāo)組的布設(shè)提供依據(jù)。針對(duì)福州市地處大氣水汽飽和云量高的濱海城市，可采用多時(shí)相時(shí)序InSAR技術(shù)開展福州盆地全局地面沉降監(jiān)測(cè)。開展差分干涉技術(shù)（D-InSAR）、永久散射體（PS）和小基線集技術(shù)（SBAS）等多項(xiàng)InSAR監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)低相干區(qū)域的微小形變信息提?。婚_展C波段數(shù)據(jù)的多時(shí)相融合處理算法，提高InSAR監(jiān)測(cè)形變的時(shí)空分辨率及其精度。

由于福州盆地植被覆蓋率較高，角反射器的埋設(shè)作為人工永久散射體，其在SAR影像上的幅度和相位都很穩(wěn)定，可以用于監(jiān)測(cè)微小而且緩慢的地表形變，即使在空間基線較大、時(shí)間基線較長的條件下也可實(shí)施；可以精確地測(cè)量某一時(shí)間段內(nèi)毫米級(jí)的位移，同時(shí)，可捕獲植被繁茂地區(qū)的地表形變；CR-InSAR僅需2景數(shù)據(jù)，即可獲取CR點(diǎn)的相對(duì)形變，精度達(dá)2mm。InSAR形變觀測(cè)值對(duì)南北向形變極其不敏感，導(dǎo)致該方法只能在忽略南北向形變的前提下得到可靠的垂直向和東西向形變，影響InSAR形變觀測(cè)值精度的因素還有大氣延遲和時(shí)間分辨率。

普適型實(shí)時(shí)GNSS可進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的三維形變監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)GNSS監(jiān)測(cè)既不會(huì)遺漏重點(diǎn)區(qū)域重要的形變信息，還能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警。而且，連續(xù)觀測(cè)的GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能夠?yàn)镮nSAR技術(shù)進(jìn)行大氣效應(yīng)的消除與改正提供重要的資料，保證了InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。普適型GNSS接收機(jī)系統(tǒng)包括鋼制觀測(cè)墩、接收天線、接收機(jī)、無線通信傳輸模塊、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控設(shè)備、自主供電設(shè)施、避雷針及相關(guān)附屬防護(hù)設(shè)施等。普適型GNSS實(shí)時(shí)地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“物聯(lián)網(wǎng)＋”模式構(gòu)建，具有高精度GNSS數(shù)據(jù)采集功能、大幅降低終端功耗和成本的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)GNSS海量數(shù)據(jù)進(jìn)行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發(fā)揮“萬物互聯(lián)”的優(yōu)勢(shì)。

GNSS實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在正常情況下可實(shí)時(shí)（每秒）發(fā)布變形體的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。測(cè)量精度在水平方向優(yōu)于2cm，高程方向優(yōu)于5cm；可在1h內(nèi)給出小時(shí)解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于10mm，高程方向精度優(yōu)于15mm；可在1d內(nèi)給出單天解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于5mm，高程方向精度優(yōu)于10mm；每個(gè)季度給出季度解結(jié)果，水平方向精度優(yōu)于3mm，高程方向精度優(yōu)于5mm。GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程

3.2.3 地質(zhì)背景調(diào)查

監(jiān)測(cè)區(qū)應(yīng)開展地形地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等調(diào)查。主要開展以第四系地質(zhì)、基巖、地下水補(bǔ)徑排條件、巖土體特性為主的細(xì)化調(diào)查，為土體沉降標(biāo)組的埋設(shè)、地下空間三維模型建設(shè)、地面沉降機(jī)理的研究提供參考數(shù)據(jù)；在收集資料的基礎(chǔ)上，對(duì)已有資料進(jìn)行分析與發(fā)掘，摸清福州盆地第四系地層的厚度與巖性、基巖的埋深與巖性、斷裂以及主要構(gòu)造線的展布方向、地下水基本特征、巖土體特性；根據(jù)巖土體分布和地層組合特征，開展工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)；資料缺乏區(qū)域以及重點(diǎn)區(qū)域采用物探勘查、鉆探的方法予以補(bǔ)充。

3.2.4 災(zāi)害調(diào)查

在InSAR調(diào)查地面沉降災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上開展災(zāi)害調(diào)查，主要包括建（構(gòu)）筑物破壞、地面開裂、橋洞凈空及結(jié)構(gòu)、市政設(shè)施破壞、洪澇調(diào)查等。災(zāi)害調(diào)查為地面沉降機(jī)理的研究、地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估與防治提供參考數(shù)據(jù)。

3.2.5 人類工程活動(dòng)調(diào)查

通過人類工程活動(dòng)調(diào)查，了解人類工程活動(dòng)過程中荷載和擾動(dòng)的時(shí)空變化對(duì)地面沉降的影響。

3.2.6 地面沉降防治情況調(diào)查

對(duì)已有地下水監(jiān)測(cè)井、回灌井等地面沉降、地裂縫的監(jiān)測(cè)與防治設(shè)施和應(yīng)用情況開展調(diào)查，落實(shí)地面沉降監(jiān)測(cè)與防治設(shè)施的空間分布，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查資料以及補(bǔ)、徑、排條件，研究建立地下水流場(chǎng)模型。

3.2.7 地面沉降觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

1）土體分層沉降標(biāo)組建設(shè) 土體沉降標(biāo)組包含基巖標(biāo)、分層標(biāo)。分層標(biāo)是通過鉆探方法分別埋設(shè)在地下不同深度土層中的特殊監(jiān)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)直通地表，隨土層的壓縮、膨脹而升降變化。以基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)地面的總沉降量或總回彈量，客觀反映土體分層變形的微量變化，從而分析地面沉降與地層結(jié)構(gòu)、地下水開采量和水位的關(guān)系。地面沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（如靜力水準(zhǔn)儀）、孔隙水壓力計(jì)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、存儲(chǔ)、分析、預(yù)警等?；鶐r標(biāo)、分層標(biāo)應(yīng)位于同一工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)，分層標(biāo)所處地層應(yīng)具土體固結(jié)、密實(shí)的典型特征。土體沉降標(biāo)組埋設(shè)應(yīng)兼顧城市規(guī)劃，以利于長期觀測(cè)，避免遭受破壞。

2）地面沉降點(diǎn)埋設(shè) 根據(jù)InSAR調(diào)查地面沉降漏斗的分布情況與地面沉降的速率，按規(guī)范要求布設(shè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)。CR點(diǎn)、GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地下水監(jiān)測(cè)井應(yīng)有機(jī)結(jié)合，考慮多點(diǎn)共用，在節(jié)約成本的同時(shí)，可起到監(jiān)測(cè)成果間的相互驗(yàn)證，提高監(jiān)測(cè)成果的精確性。

3.2.8 精密水準(zhǔn)測(cè)量

根據(jù)地面沉降及伴生地裂縫測(cè)量目的任務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)情況，合理選取精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法組織測(cè)量。

基巖標(biāo)、基巖點(diǎn)間以一等水準(zhǔn)測(cè)量的方式敷設(shè)項(xiàng)目首級(jí)高程控制網(wǎng)，同時(shí)與國家一等水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)。CR點(diǎn)、GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地下水監(jiān)測(cè)井間以基巖標(biāo)、基巖點(diǎn)為起算，敷設(shè)二等水準(zhǔn)路線，建立統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)。測(cè)量頻率根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，按相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置。

3.2.9 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果所獲得的地形地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、物理勘查、災(zāi)害現(xiàn)象、地面沉降防治、水準(zhǔn)測(cè)量、分層標(biāo)（組）測(cè)量、GNSS測(cè)量、InSAR測(cè)量、地面沉降綜合研究等各類數(shù)據(jù)和圖形資料，應(yīng)經(jīng)檢查并按數(shù)據(jù)庫要求格式進(jìn)行系統(tǒng)整理，建立地面沉降測(cè)量數(shù)據(jù)庫。

3.2.10 地理信息系統(tǒng)研發(fā)

福州盆地地面沉降監(jiān)測(cè)地理信息系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、整合資源，信息共享、促進(jìn)協(xié)同，開放服務(wù)、保障安全”的建設(shè)方針，夯實(shí)地面沉降信息化基礎(chǔ)，提升地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)警水平；實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全集中管理、集中處理、集中分析，充分發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)；基于高性能數(shù)據(jù)庫，利用WEB、移動(dòng)終端、App小程序等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)發(fā)布。推進(jìn)智能管理，提高地面沉降監(jiān)測(cè)工作信息化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建完善的地面沉降評(píng)價(jià)、決策支撐體系，為城市防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。及時(shí)提出預(yù)警和切實(shí)有效的防治措施，使地面沉降得到有效控制，最大限度地減少地面沉降災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成的損失。

4 結(jié)語

1）在充分收集、分析、利用已有資料的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持以野外工作與室內(nèi)綜合研究相結(jié)合的原則，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、技術(shù)要求完成監(jiān)測(cè)工作目標(biāo)。

2）本底調(diào)查僅解決了“有無”的判斷，動(dòng)態(tài)更新方能體現(xiàn)監(jiān)測(cè)價(jià)值。選擇以多源、高精度的地面沉降監(jiān)測(cè)方法為手段，達(dá)到進(jìn)一步研究福州盆地地面沉降機(jī)理的目的，最終建立福州盆地地面沉降“天-地”協(xié)同監(jiān)測(cè)體系。

3）整合自然資源、測(cè)繪、水利、規(guī)劃、建設(shè)等部門布設(shè)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)資源，優(yōu)化布局，一點(diǎn)多用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、相互補(bǔ)充。

4）以福州市區(qū)地?zé)崽镒鳛榈孛娉两当O(jiān)測(cè)工作試點(diǎn)，建立標(biāo)準(zhǔn)體系，開展福州盆地地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范及推廣。

5）加強(qiáng)沉降觀測(cè)設(shè)施保護(hù)，建立地面沉降監(jiān)測(cè)展示館，成為地面沉降防治科普宣傳和教育的重要基地，普及地面沉降防治科學(xué)知識(shí)和增強(qiáng)公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)。